JP4395136B2 - Electric vehicle power storage device and power storage device system - Google Patents
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Description
本発明は、電気車両の列車に搭載される蓄電装置及び蓄電装置システムに関する。特には、直列蓄電装置が安定動作可能となり、蓄電媒体の電気二重層キャパシタ（以下、「ＥＤＬＣ」ともいう）の円滑な充放電とインバータ電圧の昇圧ができ、回生失効や回生絞り込みを軽減し、回生エネルギの一部を蓄電して力行時に再利用して電気車両の走行エネルギを削減し、さらに省エネルギ・省保守性が向上し、力行アシスト時の時分短縮が可能な電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システムに関する。 The present invention relates to a power storage device and a power storage device system mounted on a train of an electric vehicle. In particular, the series power storage device can operate stably, the electric double layer capacitor (hereinafter also referred to as “EDLC”) of the power storage medium can be smoothly charged and discharged and the inverter voltage can be boosted, reducing regenerative expiration and regenerative narrowing down, A part of regenerative energy is stored and reused during powering to reduce the running energy of the electric vehicle, further improving energy saving and maintenance, and reducing the time required for powering assist. And a power storage device system.
近年、電気車両において架線などの外部からの電源による電気車両の運行に加えて、電気車両内部に設けられたバッテリなどの蓄電部からの電源で電気車両を運行する方式が考えられている。 In recent years, in addition to operation of an electric vehicle by an external power source such as an overhead line in the electric vehicle, a method of operating the electric vehicle by a power source from a power storage unit such as a battery provided inside the electric vehicle is considered.
例えば、並列蓄電装置の場合、インバータ制御の電気車両に関して、ブレーキ時の回生失効を防止する有効な手段は、インバータ入力段に並列に、蓄電装置を挿入することである。これにより、架線に返らない回生電力を吸収し、力行時に放出することができる。 For example, in the case of a parallel power storage device, for an inverter-controlled electric vehicle, an effective means for preventing regeneration expiration during braking is to insert a power storage device in parallel to the inverter input stage. As a result, regenerative power that does not return to the overhead wire can be absorbed and released during powering.
また、直列蓄電装置の場合、低い電圧定格（昇圧分の２倍程度）で小型に蓄電装置を構成することができる。さらに、インバータ電圧を昇圧してモータパワーを増大できるため、高速域において電気ブレーキ力を増加し、力行加速度を向上することができる。
しかしながら、従来からの並列蓄電装置によれば、電圧定格はVVVFインバータと同等であるため、装置が大型となる。 However, according to the conventional parallel power storage device, since the voltage rating is equivalent to that of the VVVF inverter, the device becomes large.
また、従来の直列蓄電装置によれば、高速スイッチングは行わずに、通電する列を数秒オーダーで切替えていたため、安定した昇圧電圧が確保できないという問題があった。 In addition, according to the conventional series power storage device, there is a problem in that a stable boosted voltage cannot be secured because the row to be energized is switched on the order of several seconds without performing high-speed switching.
従って、本発明の目的は、直列蓄電装置が安定動作可能となり、蓄電媒体の電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）の円滑な充放電とインバータ電圧の昇圧ができ、回生失効や回生絞り込みを軽減し、回生エネルギの一部を蓄電して力行時に再利用して電気車両の走行エネルギを削減し、さらに省エネルギ・省保守性が向上し、力行アシスト時の時分短縮が可能な電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システムを提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to enable a series power storage device to operate stably, to smoothly charge and discharge an electric double layer capacitor (EDLC) of the power storage medium, and to boost the inverter voltage, to reduce regeneration invalidation and regeneration narrowing down, A power storage device for an electric vehicle capable of storing a part of energy and reusing it during power running to reduce running energy of the electric vehicle, further improving energy saving and maintenance, and shortening time during power running assist, and It is to provide a power storage device system.
上記課題を解決するため、本発明の電気車両の蓄電装置は、電源を供給する架線側のパンタグラフと、グランドである帰線側の車輪と、パンタグラフに接続されたフィルタリアクトルと、フィルタリアクトルに接続されたインバータと、フィルタリアクトルとインバータの間に並列に接続されるフィルタコンデンサと、を備える電気車両の回路に接続される蓄電装置であって、蓄電装置は、架線側のパンタグラフと、フィルタリアクトル及びフィルタコンデンサの間に接続され、１列の短絡用の機械的スイッチと、１列の双方向スイッチと、１列以上の蓄電素子を中間に挟んだ双方向スイッチと、を並列に接続して構成される、ことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an electric vehicle power storage device according to the present invention includes an overhead line side pantograph that supplies power, a ground return side wheel that is a ground, a filter reactor that is connected to the pantograph, and a filter reactor that is connected to the filter reactor. And a filter capacitor connected in parallel between the filter reactor and the inverter, the power storage device connected to the circuit of the electric vehicle, wherein the power storage device includes a pantograph on the overhead line side, a filter reactor, Connected between filter capacitors, connected in parallel with one row of short-circuit mechanical switches, one row of bidirectional switches, and one or more rows of energy storage elements in between It is characterized by that.
ここで、蓄電素子は、双方向スイッチの間に接続される蓄電素子コンデンサと、蓄電素子コンデンサに並列に接続され、蓄電素子コンデンサが逆極性にチャージされるのを防ぐためのダイオードと、蓄電素子コンデンサに並列に接続され、該蓄電素子に内在するインダクタンス成分によって発生する転流時の過電圧を低減するためのＲＣスナバと、を備え、双方向スイッチは、蓄電素子コンデンサの充電電流を制御する第１のスイッチと、蓄電素子コンデンサの放電電流を制御する第２のスイッチと、を備える。 Here, the storage element includes a storage element capacitor connected between the bidirectional switches, a diode connected in parallel to the storage element capacitor, and preventing the storage element capacitor from being charged in reverse polarity, and the storage element An RC snubber connected in parallel to the capacitor and reducing an overvoltage at the time of commutation generated by an inductance component inherent in the storage element, and the bidirectional switch controls a charging current of the storage element capacitor. 1 switch and a second switch for controlling the discharge current of the storage element capacitor.
また、蓄電素子は、双方向スイッチの第１のスイッチ及び第２のスイッチとそれぞれ並列に接続されたダイオードを備える。 The power storage element includes a diode connected in parallel with each of the first switch and the second switch of the bidirectional switch.
また、蓄電装置は、１以上のインバータに接続される、ことができる。 The power storage device can be connected to one or more inverters.
また、蓄電装置は、架線側のパンタグラフの替わりに、帰線側の車輪と、フィルタリアクトル及びフィルタコンデンサの間に接続される、ようにしてもよい。 Further, the power storage device may be connected between the return line side wheel, the filter reactor, and the filter capacitor instead of the overhead line side pantograph.
また、上記課題を解決するため、本発明の電気車両の蓄電装置システムは、電源を供給する架線側のパンタグラフと、グランドである帰線側の車輪と、パンタグラフに接続されたフィルタリアクトルと、フィルタリアクトルに接続されたインバータと、フィルタリアクトルとインバータの間に並列に接続されるフィルタコンデンサと、を備える電気車両の回路に接続される蓄電装置システムであって、上述の蓄電装置と、蓄電装置に接続され、１列の短絡用の機械的スイッチを開閉するための開閉信号と、昇圧電圧を決定する昇圧指令値と、力行昇圧と回生昇圧の移行を行なう動作モードと、を出力する指令値演算・シーケンス制御手段と、指令値演算・シーケンス制御手段から入力された昇圧指令値及び動作モードに基づいて、１列以上の蓄電素子のうち通電する列を決定して、適切な通流率を算出して出力する通流率制御手段と、通流率制御手段から入力された通流率に基づいて、蓄電装置の前記機械的スイッチ及び双方向スイッチを制御するゲート信号を出力するゲート制御手段と、を備える、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, an electric vehicle power storage device system according to the present invention includes an overhead pantograph for supplying power, a return wheel as a ground, a filter reactor connected to the pantograph, a filter A power storage device system connected to a circuit of an electric vehicle including an inverter connected to a reactor, and a filter capacitor connected in parallel between the filter reactor and the inverter, the power storage device described above, Command value calculation for outputting an open / close signal for opening and closing a single row short-circuit mechanical switch, a boost command value for determining a boost voltage, and an operation mode for switching between power boosting and regenerative boosting -One or more columns based on the sequence control means and the boost command value and operation mode input from the command value calculation / sequence control means Determining a row to be energized among the electric elements, calculating and outputting an appropriate current rate, and a current rate input from the current rate controller, based on the current rate input from the current rate controller And a gate control means for outputting a gate signal for controlling the mechanical switch and the bidirectional switch.
本発明の電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システムによれば、ＥＤＬＣとその周辺の回路構成を改良して高速スイッチング動作を可能とし、ＥＤＬＣに通電する電流を通流率制御することによって、ＥＤＬＣの充電量を制御し、直列蓄電装置が安定動作可能となり、蓄電媒体のＥＤＬＣの円滑な充放電とインバータ電圧の昇圧ができ、回生失効や回生絞り込みを軽減し、回生エネルギの一部を蓄電して力行時に再利用して電気車両の走行エネルギを削減し、さらに省エネルギ・省保守性が向上し、力行アシスト時の時分短縮が可能とすることができる。 According to the power storage device and the power storage device system for an electric vehicle of the present invention, the EDLC and its peripheral circuit configuration are improved to enable high-speed switching operation, and by controlling the current flow rate through the EDLC, Controls the amount of charge, enables stable operation of the series power storage device, enables smooth charging / discharging of the EDLC of the storage medium and boosting of the inverter voltage, reducing regenerative expiration and regenerative narrowing, and storing a part of the regenerative energy It can be reused at the time of power running to reduce the running energy of the electric vehicle, further improve the energy saving / maintenance, and shorten the time for power running assist.
以下、図面を参照して本発明の電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システムの実施の形態を説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a power storage device and a power storage device system for an electric vehicle according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明の電気車両の蓄電装置を備える電気車両の回路を示す図である。この電気車両の回路は、電源を供給する架線側のパンタグラフ２０と、グランドである帰線側の車輪５０と、パンタグラフ２０に接続されたフィルタリアクトルＦＬ０及びフィルタコンデンサＦＣ０と、フィルタリアクトルＦＬ０に接続された蓄電装置１０と、蓄電装置１０に接続されたフィルタリアクトルＦＬと、フィルタリアクトルＦＬに接続されたＶＶＶＦインバータ３０と、フィルタリアクトルＦＬとＶＶＶＦインバータ３０の間に並列に接続されるフィルタコンデンサＦＣと、ＶＶＶＦインバータ３０に接続された駆動源の主電動機４０と、を備えている。また、フィルタリアクトルＦＬ０と蓄電装置１０の間の架線側とＶＶＶＦインバータ３０の帰線側には他のインバータユニットや補助電源が接続される。
FIG. 1 is a diagram showing a circuit of an electric vehicle including the electric vehicle power storage device of the present invention. The circuit of this electric vehicle is connected to the
ここで、フィルタリアクトルＦＬ、フィルタコンデンサＦＣは、ＶＶＶＦインバータ３０のフィルタリアクトル、フィルタコンデンサであり、フィルタリアクトルＦＬとパンタグラフ２０の間に蓄電装置を挿入する。基本的に１つの ＶＶＶＦインバータ２０につき蓄電装置１０を１つ挿入するが、蓄電装置１０の電流容量が許容するならば複数のＶＶＶＦインバータにつき蓄電装置１０を１つとしてもよい。
Here, the filter reactor FL and the filter capacitor FC are the filter reactor and the filter capacitor of the
図１では、蓄電装置１０とパンタグラフ２０の間にはフィルタリアクトルＦＬ０とフィルタコンデンサＦＣ０が挿入されているが、なくともよい。これは、架線・帰線に流出する高調波電流が問題となる場合に、これを抑制するためのフィルタ回路である。１つのパンタグラフ２０につき複数台のＶＶＶＦインバータ３０が接続される場合には、フィルタリアクトルＦＬ０とフィルタコンデンサＦＣ０の負荷側から分岐させる。その際には、昇圧装置スイッチング用の三角波キャリアに位相差を与えることで、架線・帰線に流出する高調波電流を低減できる。
In FIG. 1, the filter reactor FL0 and the filter capacitor FC0 are inserted between the
また、蓄電装置１０は、架線側のパンタグラフ２０と、フィルタリアクトルＦＬ及びフィルタコンデンサＦＣの間に接続され、短絡用の機械的スイッチＬＢ（４列目）を一列と、双方向スイッチＱ３ａ，Ｑ３ｂ（３列目）を一列と、蓄電素子（ＥＤＬＣ）を中間に挟んだ双方向スイッチＱ２ａ，Ｑ２ｂ（２列目）及びＱ１ａ，Ｑ１ｂ（１列目）を一列以上と、を並列に接続して構成される。
The
ここで、蓄電素子（２列目）は、双方向スイッチＱ２ａ，Ｑ２ｂの間に接続される蓄電素子コンデンサＣ２と、蓄電素子コンデンサＣ２に並列に接続され、蓄電素子コンデンサＣ２が逆極性にチャージされるのを防ぐためのダイオードＤ２と、蓄電素子コンデンサＣ２に並列に接続され、該蓄電素子コンデンサＣ２に内在するインダクタンス成分によって発生する転流時の過電圧を低減するためのＲＣスナバと、を備え、双方向スイッチＱ２ａ，Ｑ２ｂは、蓄電素子コンデンサの充電電流を制御する第１のスイッチＱ２ａと、蓄電素子コンデンサの放電電流を制御する第２のスイッチＱ２ｂと、を備える。また、蓄電素子は、双方向スイッチの第１のスイッチＱ２ａ及び第２のスイッチＱ２ｂとそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ２ａ，Ｄ２ｂを備える。 Here, the storage element (second row) is connected in parallel to the storage element capacitor C2 connected between the bidirectional switches Q2a and Q2b and the storage element capacitor C2, and the storage element capacitor C2 is charged with a reverse polarity. And an RC snubber connected in parallel to the storage element capacitor C2 to reduce overvoltage at the time of commutation generated by an inductance component inherent in the storage element capacitor C2, The bidirectional switches Q2a and Q2b include a first switch Q2a that controls the charging current of the storage element capacitor, and a second switch Q2b that controls the discharge current of the storage element capacitor. The storage element includes diodes D2a and D2b connected in parallel with the first switch Q2a and the second switch Q2b of the bidirectional switch, respectively.
同様に、蓄電素子（１列目）は、双方向スイッチＱ１ａ，Ｑ１ｂの間に接続される蓄電素子コンデンサＣ１と、蓄電素子コンデンサＣ１に並列に接続され、蓄電素子コンデンサＣ１が逆極性にチャージされるのを防ぐためのダイオードＤ１と、蓄電素子コンデンサＣ１に並列に接続され、該蓄電素子コンデンサＣ１に内在するインダクタンス成分によって発生する転流時の過電圧を低減するためのＲＣスナバと、を備え、双方向スイッチＱ１ａ，Ｑ１ｂは、蓄電素子コンデンサの放電電流を制御する第１のスイッチＱ１ａと、蓄電素子コンデンサの充電電流を制御する第２のスイッチＱ１ｂと、を備える。また、蓄電素子は、双方向スイッチの第１のスイッチＱ１ａ及び第２のスイッチＱ１ｂとそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂを備える。 Similarly, the storage element (first column) is connected in parallel to the storage element capacitor C1 connected between the bidirectional switches Q1a and Q1b and the storage element capacitor C1, and the storage element capacitor C1 is charged with a reverse polarity. And an RC snubber connected in parallel to the storage element capacitor C1 and for reducing an overvoltage at the time of commutation generated by an inductance component inherent in the storage element capacitor C1, The bidirectional switches Q1a and Q1b include a first switch Q1a that controls the discharge current of the storage element capacitor and a second switch Q1b that controls the charging current of the storage element capacitor. The power storage element includes diodes D1a and D1b connected in parallel with the first switch Q1a and the second switch Q1b of the bidirectional switch, respectively.
蓄電装置１０の内部は、上述のように短絡用の機械的スイッチＬＢを１列、双方向スイッチＱ３ａ，Ｑ３ｂを１列、蓄電素子を中間に挟んだ双方向スイッチＱ２ａ，Ｑ２ｂ（Ｑ１ａ，Ｑ１ｂ）を１列以上の、合計３列以上を並列接続して構成される。蓄電素子を含む列の列数は図３では２列（１列目、２列目）としたが、必要な蓄電容量に応じて増減可能である。増加したほうがＥＤＬＣの電圧範囲を広範に使用できて容量を有効利用できるが、制御は複雑となりスイッチ数が増加する。双方向スイッチＱ２ａ，Ｑ２ｂ（Ｑ１ａ，Ｑ１ｂ）をＯＮ−ＯＦＦさせることにより、並列された列間で電流Ｉｂを転流させる。
Inside the
１列目を例にとると、ＥＤＬＣである蓄電素子コンデンサＣ１の充電電流を制御するのが第２スイッチングＱ１ｂ、放電電流を制御するのが第１スイッチＱ１ａ、蓄電素子コンデンサＣ１が逆極性にチャージされるのを防ぐのがダイオードＤ１、素子コンデンサＣ１に内在するインダクタンス成分によって発生する転流時の過電圧を低減するのがＲＣスナバであり、これは他の素子に付随するスナバ（図3では省略）より大容量である。 Taking the first column as an example, the charging current of the storage element capacitor C1, which is an EDLC, is controlled by the second switching Q1b, the discharge current is controlled by the first switch Q1a, and the storage element capacitor C1 is charged in reverse polarity. The RC snubber reduces the overvoltage at the time of commutation generated by the inductance component inherent in the diode D1 and the element capacitor C1, and this is a snubber attached to another element (not shown in FIG. 3). ) Larger capacity.
回生時には１〜３列目のＱ１ｂ，Ｑ２ｂ，Ｑ３ｂの各素子を、力行時には１〜３列目のＱ１ａ，Ｑ２ａ，Ｑ３ａの各素子を適宜高速スイッチングすることで所定の昇圧電圧Ｖｂを確保する。 A predetermined boosted voltage Vb is secured by appropriately switching each element of Q1b, Q2b, Q3b in the first to third columns during regeneration and appropriately switching each element of Q1a, Q2a, Q3a in the first to third columns during powering.
図２は、本発明の電気車両の蓄電装置を備える電気車両の回路を示す図である。図２において、蓄電装置１０は、ＶＶＶＦインバータ３０の架線側ではなく、帰線側に挿入する。これにより、蓄電装置の対地絶縁耐圧を下げることができる。
FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit of an electric vehicle including the electric vehicle power storage device of the present invention. In FIG. 2, the
図３は、本発明の電気車両の蓄電装置システムを備える電気車両の回路を示す図である。図３において、この蓄電装置システムは、図１に示した電気車両の回路の蓄電装置１０に接続され、１列の短絡用の機械的スイッチＬＢを開閉するための開閉信号と、昇圧電圧を決定する昇圧指令値Ｖｂｒｅｆと、力行昇圧と回生昇圧の移行を行なう動作モードと、を出力する指令値演算・シーケンス制御部６０と、指令値演算・シーケンス制御部６０から入力された昇圧指令値Ｖｂｒｅｆ及び動作モードに基づいて、１列以上の蓄電素子（ＥＤＬＣ）のうち電圧を通流させる蓄電素子（ＥＤＬＣ）を決定して通流率ｄ１ａ，ｄ２ａ，ｄ３ａ，ｄ１ｂ，ｄ２ｂ，ｄ３ｂ（制御周期に対するゲートオン時間の割合：ｄ１ａはスイッチＱ１ａ、ｄ２ａはスイッチＱ２ａ、ｄ３ａはスイッチＱ３ａ、ｄ１ｂはスイッチＱ１ｂ、ｄ２ｂはスイッチＱ２ｂ、ｄ３ｂはスイッチＱ３ｂを制御する）を算出して出力する通流率制御部部７０と、通流率制御部７０から入力された通流率ｄ１ａ，ｄ２ａ，ｄ３ａ，ｄ１ｂ，ｄ２ｂ，ｄ３ｂに基づいて、蓄電装置１０の機械的スイッチＬＢ及び双方向スイッチＱ１ａ，Ｑ２ａ，Ｑ３ａ，Ｑ１ｂ，Ｑ２ｂ，Ｑ３ｂを制御するゲート信号を出力するゲート制御部８０と、を備える。
FIG. 3 is a diagram showing a circuit of an electric vehicle including the electric vehicle power storage device system of the present invention. In FIG. 3, this power storage device system is connected to the
ここで、指令値演算・シーケンス制御部６０では、架線側電流Ｉｂ、架線電圧Ｖｐ、ＶＶＶＦインバータ電圧指令値Ｖｉｎｖ、１列目蓄電素子（ＥＤＬＣ）電圧Ｖ１、２列目蓄電素子（ＥＤＬＣ）電圧Ｖ２を入力とし、機械的スイッチＬＢ（４列目）の開閉を制御するＬＢ開閉指令、蓄電装置１０への昇圧指令値Ｖｂｒｅｆおよび動作モードを出力する。
Here, in the command value calculation / sequence control unit 60, the overhead wire side current Ib, the overhead wire voltage Vp, the VVVF inverter voltage command value Vinv, the first row storage element (EDLC) voltage V1, and the second row storage element (EDLC) voltage V2. Is input, and an LB opening / closing command for controlling opening / closing of the mechanical switch LB (fourth column), a boost command value Vbref to the
通流率制御部７０では、昇圧指令値Ｖｂｒｅｆ、動作モード、１列目蓄電素子（ＥＤＬＣ）電圧Ｖ１、２列目蓄電素子（ＥＤＬＣ）電圧Ｖ２、架線側電流Ｉｂを入力とし、通流率ｄ１ａ〜ｄ３ｂを決定する。
In the conduction
ゲート駆動部８０は、通流率制御部７０からの通流率ｄ１ａ〜ｄ３ｂに基づき、ゲート信号を蓄電装置１０へ発生する。
Gate drive unit 80 generates a gate signal to
ここで、車両１編成に複数台の蓄電装置１０を搭載する場合は、動作モードと昇圧電圧指令値Ｖｂｒｅｆが同一となるように動作協調する。
Here, in the case where a plurality of
図４は、指令値演算・シーケンス制御部６０からの動作モードの遷移図を示す。動作モードの決定を以下に説明する。各モード毎に、点弧する素子や、昇圧指令値Ｖｂｒｅｆ、通流率算出式が異なる。 FIG. 4 is a transition diagram of operation modes from the command value calculation / sequence control unit 60. The determination of the operation mode will be described below. The elements to be fired, the boost command value Vbref, and the conduction rate calculation formula are different for each mode.
遷移条件は、ＥＤＬＣ電圧Ｖ１，Ｖ２と架線側電流Ｉｂである。ＥＤＬＣ電圧Ｖ１，Ｖ２が中間領域にある場合、架線側電流Ｉｂを監視して回生電流（Ｉｂ＜α）を検知すれば回生昇圧に遷移し、電流がなくなれば待機モードに遷移する。力行電流（Ｉｂ＞β）を検知すれば力行昇圧に遷移して、電流がなくなれば待機状態に遷移する。 The transition conditions are EDLC voltages V1 and V2 and overhead wire side current Ib. When the EDLC voltages V1 and V2 are in the middle region, the overhead wire side current Ib is monitored to detect the regenerative current (Ib <α), and when the current disappears, the operation proceeds to the standby mode. When the power running current (Ib> β) is detected, the power transit boost is performed, and when there is no current, the device transits to the standby state.
ＥＤＬＣ電圧Ｖ１，Ｖ２は、常にＶ１＞Ｖ２となるように制御する。Ｖ１＜Ｖ２となった場合は、１列目と２列目を入れ替えて考えれば、同一の制御が適用できる。力行昇圧モードではＥＤＬＣの放電が進み、Ｖ１＜Ｖ１ｍｉｎ（Ｖ１の所定の最小値）となると待機モードに遷移する。次に昇圧モードとなる場合に、Ｖ１ｍｉｎ以上の昇圧電圧を即座に確保するために、Ｖ１ｍｉｎ以下には放電しない。 The EDLC voltages V1 and V2 are controlled so that V1> V2 is always satisfied. When V1 <V2, the same control can be applied if the first and second columns are interchanged. In the power boosting mode, the EDLC discharge progresses, and when V1 <V1min (a predetermined minimum value of V1) is established, the mode is shifted to the standby mode. Next, in the boosting mode, in order to immediately secure a boosted voltage of V1min or higher, the battery is not discharged below V1min.
回生昇圧モードでＥＤＬＣの充電が進み、Ｖｍａｘ（ＥＤＬＣ電圧Ｖ１，Ｖ２の所定の最大値）＜Ｖ１且つＶｍａｘ＜Ｖ２となると、待機モードに遷移する。これは過充電を避けるためである。なお、定期的にＥＤＬＣの列を入替えて制御することにより、使用程度に差が生じない工夫が可能である。これを容易にするため、各列のＥＤＬＣ容量は同一が望ましい。 When charging of the EDLC proceeds in the regenerative boost mode and Vmax (predetermined maximum values of the EDLC voltages V1 and V2) <V1 and Vmax <V2, a transition is made to the standby mode. This is to avoid overcharging. It is possible to devise a technique that does not cause a difference in the degree of use by periodically switching and controlling the EDLC columns. To facilitate this, it is desirable that the EDLC capacity of each column be the same.
待機モードは、機械的スイッチＬＢを閉じて装置を短絡するため、蓄電装置１０の非設置と同等な状態となる。回生昇圧モードでは昇圧しながらＥＤＬＣの充電、力行昇圧モードでは昇圧しながらＥＤＬＣの放電を行う。なお、すべてのモード遷移条件にはヒステリシスを設け、不必要にモードが遷移するハンチングを避ける。
In the standby mode, the mechanical switch LB is closed to short-circuit the device, so that the standby mode is equivalent to the non-installation of the
図４において、具体例としては、αは−３０［Ａ］程度、βはＶＶＶＦインバータ３０が特性領域（１パルスモード）に移行する少し前に対応した電流値であり、ＶＶＶＦインバータ特性に応じて決定される。昇圧効果がない多パルスモードでは昇圧せず、１パルスモードから昇圧するための条件であり、厳密に設定しなくてよい。また、Ｖｍａｘはキャパシタの電圧定格と余裕を考慮して決定する。Ｖｍｉｎはこれ以下には放電せず、常時残しておきたい電圧値とする。
In FIG. 4, as a specific example, α is about −30 [A], β is a current value corresponding to the
図５は、昇圧電圧指令値Ｖｂｒｅｆの演算方法を示す図である。ＶＶＶＦインバータ電圧指令値Ｖｉｎｖｒは、力行昇圧モード、回生昇圧モードそれぞれに固有の値である。例えば、力行昇圧モードでは１８００［Ｖ］、回生昇圧モードでは１９００［Ｖ］等と定める。これらと架線電圧Ｖｐの差分（Ｖｂｒｅｆ’）にＲＩドロップ補償部６１で架線側電流Ｉｂ及びＲｄ（ＥＤＬＣ、スイッチング素子、フィルタリアクトル等の等価抵抗）などでＲＩドロップ補償を施し、昇圧電圧指令値Ｖｂｒｅｆが０〜昇圧電圧指令値最大値（Ｖｂｒｅｆ＿ｍａｘ）の範囲内になるようにリミッタ６２を介し、ソフトスタート・ストップ６３の制御によって出力されたものが昇圧電圧指令値Ｖｂｒｅｆとなる。 FIG. 5 is a diagram illustrating a method of calculating the boost voltage command value Vbref. VVVF inverter voltage command value Vinvr is a value specific to each of the power running boost mode and the regenerative boost mode. For example, it is determined to be 1800 [V] in the power running boost mode, 1900 [V], etc. in the regenerative boost mode. The RI drop compensation is performed on the difference (Vbref ′) between these and the overhead line voltage Vp by the overhead line side current Ib and Rd (equivalent resistance of EDLC, switching element, filter reactor, etc.) in the RI drop compensation unit 61, and the boost voltage command value Vbref The voltage output by the control of the soft start / stop 63 via the limiter 62 is the boost voltage command value Vbref so that is within the range of 0 to the maximum boost voltage command value (Vbref_max).
リミッタ６２は、０［Ｖ］〜Ｖｂｒｅｆ＿ｍａｘ［Ｖ］に設定する。Ｖｂｒｅｆ＿ｍａｘは、蓄電装置１０への要求によって様々であるが、既存のインバータ車両への適用を前提とした場合は２００［Ｖ］〜４００［Ｖ］程度と考えられる。また、ソフトスタート・ストップ６３のランプ関数は０〜１の値を出力し、立上がり・立下り時間は０．２［秒］前後とする。これによってモードが変化した際の昇圧電圧Ｖｂの変化を滑らかとし、リアクトルＦＬとコンデンサＦＣの共振発生を防止する。
The limiter 62 is set to 0 [V] to Vbref_max [V]. Vbref_max varies depending on the request to the
次に、図１に基づいて、昇圧原理を述べる。簡単のため、ＥＤＬＣの内部抵抗やインダクタンスは無視し、スイッチング素子Ｑ１ａ〜Ｑ３ｂを理想スイッチと扱い、１制御周期の間に１列目ＥＤＬＣ電圧Ｖ１、１列目ＥＤＬＣ電圧Ｖ２、昇圧電圧Ｖｂは一定と仮定する。１制御周期は三角波キャリアの周期と同期し、ゲート信号は三角波キャリア比較方式で出力する。すると、コンデンサＣ１に通流する期間はフィルタリアクトル電圧Ｖｂ０＝Ｖ１、コンデンサＣ２に通流する期間はフィルタリアクトル電圧Ｖｂ０＝Ｖ２、双方向スイッチに通流する期間はフィルタリアクトル電圧Ｖｂ０＝０となる。フィルタリアクトルＦＬの作用によって、定常的にはフィルタリアクトル電圧Ｖｂ０の時間平均値が昇圧電圧Ｖｂとなるため、次に示す＜式１＞が成立する。通流率ｄ＊は、０≦ｄ＊≦１の値をとる。
Next, the boosting principle will be described based on FIG. For simplicity, the internal resistance and inductance of the EDLC are ignored and the switching elements Q1a to Q3b are treated as ideal switches, and the first column EDLC voltage V1, the first column EDLC voltage V2, and the boost voltage Vb are constant during one control cycle. Assume that One control period is synchronized with the period of the triangular wave carrier, and the gate signal is output by the triangular wave carrier comparison method. Then, the filter reactor voltage Vb0 = V1 during the period of passing through the capacitor C1, the filter reactor voltage Vb0 = V2 during the period of passing through the capacitor C2, and the filter reactor voltage Vb0 = 0 during the period of passing through the bidirectional switch. Due to the action of the filter reactor FL, the time average value of the filter reactor voltage Vb0 is steadily changed to the boost voltage Vb, so that the following <
＜式１＞
回生時：Ｖｂ＝ｄ１ｂ×Ｖ１＋ｄ２ｂ×Ｖ２＋ｄ３ｂ×０
（但し、ｄ１ｂ＋ｄ２ｂ＋ｄ３ｂ＝１）
力行時：Ｖｂ＝ｄ１ａ×Ｖ１＋ｄ２ａ×Ｖ２＋ｄ３ａ×０
（但し、ｄ１ａ＋ｄ２ａ＋ｄ３ａ＝１）
これらより、昇圧電圧Ｖｂの出力可能範囲は、０≦Ｖｂ≦max（Ｖ１，Ｖ２）である。
<
During regeneration: Vb = d1b × V1 + d2b × V2 + d3b × 0
(However, d1b + d2b + d3b = 1)
Power running: Vb = d1a × V1 + d2a × V2 + d3a × 0
(However, d1a + d2a + d3a = 1)
Accordingly, the output possible range of the boost voltage Vb is 0 ≦ Vb ≦ max (V1, V2).
通流率の決定は、まずＥＤＬＣの電圧Ｖ１、Ｖ２に応じて通流させる列を１〜２列に決定する。これには、ＥＤＬＣの過電圧を避けること、所要電圧を出力可能なこと、各ＥＤＬＣが望ましい充放電経過をたどることを考慮して決定する。次に＜式１＞の関係を用いて、Ｖｂｒｅｆ＝Ｖｂとなるように演算する。例として、回生時に１列目と２列目に通流させる場合は、ｄ３ｂ＝０、Ｖｂｒｅｆ＝Ｖｂを代入し、次のように求まる。
＜式２＞
Ｖｂｒｅｆ＝（１−ｄ２ｂ）×Ｖ１＋ｄ２ｂ×Ｖ２
従って、
ｄ２ｂ＝（Ｖ１−Ｖｂｒｅｆ）／（Ｖ１−Ｖ２）
In determining the flow rate, first, the columns to be flowed are determined to be one or two columns according to the voltages V1 and V2 of EDLC. This is determined in consideration of avoiding an overvoltage of the EDLC, being able to output a required voltage, and following the desired charging / discharging process of each EDLC. Next, using the relationship of <
<
Vbref = (1−d2b) × V1 + d2b × V2
Therefore,
d2b = (V1-Vbref) / (V1-V2)
図６〜１１は、回生昇圧モードと力行昇圧モードにおける電流経路を示す図である。上述において、ｄ１ｂ＝１−ｄ２ｂと求まるが、ゲート制御を容易にするためにｄ１ｂ＝１とする。これによってスイッチＱ２ｂがＯＦＦの期間は必ずスイッチＱ１ｂに通流できるようにする。他方、常にＶ１＞Ｖ２となるよう制御するため、Ｑ２ｂがＯＮの期間は必ず第２列に通流する。つまり、ｄ１ｂ＝１としても実質的な通流率はｄ１ｂ＝１−ｄ２ｂとなり、なおかつ必ずいずれかの列が通流可能となる（図６、図７参照）。 6 to 11 are diagrams showing current paths in the regeneration boost mode and the power running boost mode. In the above description, d1b = 1−d2b is obtained, but d1b = 1 is set to facilitate gate control. As a result, the switch Q2b can always flow to the switch Q1b while the switch Q2b is OFF. On the other hand, since control is always performed so that V1> V2, the current flows without fail in the second column while Q2b is ON. That is, even if d1b = 1, the substantial flow rate is d1b = 1-d2b, and any one of the rows can always flow (see FIGS. 6 and 7).
以下、図６〜８を参照して、回生昇圧モードにおける電流経路を説明する。図６において、スイッチＱ１ｂがＯＮとなっているときに、スイッチＱ２ｂをＯＮすると、Ｖ１＞Ｖ２のため、１列目の電流は減少し、２列目に自然転流する（図７）。Ｑ２ｂをＯＦＦすると、強制転流によって図６の状態に戻る。この際、Ｖ２、Ｖ１にはサージ電圧が現れる。次に、図７においてスイッチＱ３ｂをＯＮすると、Ｖ２＞０のため、２列目の電流は減少し、３列目に自然転流する（図８）。ここで、スイッチＱ３ｂをＯＦＦすると、強制転流によって図７の状態に戻る。この際、Ｖ２にはサージ電圧が現れる。 Hereinafter, the current path in the regeneration boost mode will be described with reference to FIGS. In FIG. 6, when the switch Q2b is turned on when the switch Q1b is turned on, V1> V2, and therefore the current in the first row decreases and commutation occurs naturally in the second row (FIG. 7). When Q2b is turned OFF, it returns to the state of FIG. 6 by forced commutation. At this time, a surge voltage appears in V2 and V1. Next, when the switch Q3b is turned on in FIG. 7, since V2> 0, the current in the second row decreases, and natural commutation occurs in the third row (FIG. 8). Here, when the switch Q3b is turned OFF, the state shown in FIG. 7 is restored by forced commutation. At this time, a surge voltage appears at V2.
次に図９〜１１を参照して、力行昇圧モードにおける電流経路を説明する。図９において、スイッチＱ３ａがＯＮとなっているときに、スイッチＱ２ａをＯＮすると、Ｖ２＞０のため、３列目の電流は減少し、２列目に自然転流する（図１０）。スイッチＱ２ａをＯＦＦすると、強制転流によって図９の状態に戻る。この際、Ｖ２にはサージ電圧が現れる。次に、スイッチＱ２ａがＯＮ（図１０）となっているときに、Ｑ１ａをＯＮすると、Ｖ１＜Ｖ２のため、２列目の電流は減少し、１列目に自然転流する（図１１）。ここで、スイッチＱ１ａをＯＦＦすると、強制転流によって図１０の状態に戻る。この際、Ｖ１、Ｖ２にはサージ電圧が現れる。 Next, a current path in the power running boost mode will be described with reference to FIGS. In FIG. 9, if the switch Q2a is turned on while the switch Q3a is turned on, the current in the third row decreases and V2> 0, and the current in the second row is naturally commutated (FIG. 10). When the switch Q2a is turned off, the state shown in FIG. 9 is restored by forced commutation. At this time, a surge voltage appears at V2. Next, when the switch Q2a is ON (FIG. 10), when Q1a is turned ON, the current in the second column decreases and natural commutation occurs in the first column because V1 <V2 (FIG. 11). . Here, when the switch Q1a is turned OFF, the state shown in FIG. 10 is restored by forced commutation. At this time, a surge voltage appears in V1 and V2.
図１２は、通流率演算式を整理した図である。図１２（Ａ）は、回生昇圧モードにおける通流率演算を、図１２（Ｂ）は、力行昇圧モードにおける通流率演算を示す。矢印は、蓄電や放電が進む経過を示している。塗りつぶした矢印が望ましい経過である。図１２（Ａ）において▲印を付した領域では、所定の昇圧電圧が出力できないため、この領域は避けるべきである。 FIG. 12 is a diagram in which the flow rate calculation formulas are arranged. FIG. 12 (A) shows the flow rate calculation in the regenerative boost mode, and FIG. 12 (B) shows the flow rate calculation in the power running boost mode. Arrows indicate the progress of power storage and discharge. A solid arrow is the desired course. In FIG. 12A, in the region marked with ▲, a predetermined boosted voltage cannot be output, and this region should be avoided.
ＥＤＬＣ列が３列以上の場合は、充放電経過に応じて通電対象の列を２列選定することで、本提案の通流率制御を準用可能である。また、１列のみの場合にはＶ２を無視してＶ１のみに着目し、本提案の通流率制御を適用可能である。 When there are three or more EDLC rows, the proposed flow rate control can be applied mutatis mutandis by selecting two rows to be energized according to the charge / discharge progress. In the case of only one column, V2 is ignored and only V1 is focused, and the proposed flow rate control can be applied.
図１３は、回生昇圧モードで、Ｖｂｒｅｆ＜Ｖ１、Ｖ２＜Ｖｂｒｅｆの場合の各部波形の概略である。図１３（Ａ）は、ゲート制御、（Ｂ）は、ゲート信号、（Ｃ）はＥＤＬＣ電流、（Ｄ）は、ＥＤＬＣ電圧を示す。以下、ゲート駆動部８０の動作について説明する。図１３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ゲート信号は三角波比較によって生成する。三角波Ｖｔｒｉの周波数は、数百［Ｈｚ］〜１０００［Ｈｚ］程度が妥当と考えられ、ＥＤＬＣの発熱や高調波電流の許容値等を考慮して決定する必要がある。制御周期は三角波と同期させるのが望ましい。 FIG. 13 is a schematic diagram of respective waveforms in the case of Vbref <V1 and V2 <Vbref in the regeneration boost mode. 13A shows the gate control, FIG. 13B shows the gate signal, FIG. 13C shows the EDLC current, and FIG. 13D shows the EDLC voltage. Hereinafter, the operation of the gate driving unit 80 will be described. As shown in FIGS. 13A and 13B, the gate signal is generated by a triangular wave comparison. The frequency of the triangular wave Vtri is considered to be about several hundreds [Hz] to 1000 [Hz], and it is necessary to determine the EDLC heat generation, the allowable value of the harmonic current, and the like. It is desirable to synchronize the control cycle with a triangular wave.
図１３（Ｃ）に示すように、１列目と２列目に交互に通流し、Ｖ１、Ｖ２を交互に充電していく。この際、出力電圧Ｖｂは指令値Ｖｂｒｅｆと等しくなるよう制御されている。 As shown in FIG. 13C, the first and second rows are alternately flowed to charge V1 and V2 alternately. At this time, the output voltage Vb is controlled to be equal to the command value Vbref.
以上のように、本発明の電気車両の蓄電装置及び蓄電装置システムによれば、ＥＤＬＣとその周辺の回路構成を改良して高速スイッチング動作を可能とし、ＥＤＬＣに通電する電流を通流率制御することによって、ＥＤＬＣの充電量を制御し、直列蓄電装置が安定動作可能となり、蓄電媒体のＥＤＬＣの円滑な充放電とインバータ電圧の昇圧ができ、回生失効や回生絞り込みを軽減し、回生エネルギの一部を蓄電して力行時に再利用して電気車両の走行エネルギを削減し、さらに省エネルギ・省保守性が向上し、力行アシスト時の時分短縮が可能とすることができる。 As described above, according to the power storage device and power storage device system of an electric vehicle of the present invention, the EDLC and its peripheral circuit configuration are improved to enable high-speed switching operation, and the current conduction rate control for the EDLC is controlled. As a result, the amount of charge of the EDLC is controlled, the series power storage device can operate stably, the EDLC of the power storage medium can be smoothly charged and discharged, and the inverter voltage can be boosted. The power can be stored and reused during powering to reduce the running energy of the electric vehicle, energy saving and maintenance can be improved, and the time for powering assist can be reduced.
１０ 蓄電装置
２０ パンタグラフ
３０ ＶＶＶＦインバータ
４０ 主電動機
５０ 車輪
６０ 指令値演算・シーケンス制御部
６１ ＲＩドロップ補償部
６２ リミッタ
６３ ソフトスタート・ストップ
７０ 流通制御部
８０ ゲート駆動部
10
Claims (6)
前記蓄電装置は、
架線側の前記パンタグラフと、前記フィルタリアクトル及び前記フィルタコンデンサの間に接続され、
１列の短絡用の機械的スイッチと、
１列の双方向スイッチと、
１列以上の蓄電素子を中間に挟んだ双方向スイッチと、
を並列に接続して構成される、
ことを特徴とする電気車両の蓄電装置。 An overhead pantograph for supplying power, a return wheel as a ground, a filter reactor connected to the pantograph, an inverter connected to the filter reactor, and a parallel connection between the filter reactor and the inverter A storage capacitor connected to a circuit of an electric vehicle comprising a filter capacitor connected to
The power storage device
Connected between the pantograph on the overhead line side, the filter reactor and the filter capacitor,
A row of mechanical switches for short circuit;
A row of bidirectional switches;
A bidirectional switch with one or more rows of storage elements sandwiched between them,
Connected in parallel,
A power storage device for an electric vehicle.
前記双方向スイッチの間に接続される蓄電素子コンデンサと、
前記蓄電素子コンデンサに並列に接続され、前記蓄電素子コンデンサが逆極性にチャージされるのを防ぐためのダイオードと、
前記蓄電素子コンデンサに並列に接続され、該蓄電素子に内在するインダクタンス成分によって発生する転流時の過電圧を低減するためのＲＣスナバと、
を備え、
前記双方向スイッチは、
前記蓄電素子コンデンサの充電電流を制御する第１のスイッチと、
前記蓄電素子コンデンサの放電電流を制御する第２のスイッチと、
を備える、
ことを特徴とする請求項１記載の電気車両の蓄電装置。 The power storage element is
A storage element capacitor connected between the bidirectional switches;
A diode connected in parallel to the storage element capacitor to prevent the storage element capacitor from being charged in reverse polarity;
An RC snubber connected in parallel to the storage element capacitor for reducing an overvoltage at the time of commutation generated by an inductance component inherent in the storage element;
With
The bidirectional switch is
A first switch for controlling a charging current of the storage element capacitor;
A second switch for controlling a discharge current of the storage element capacitor;
Comprising
The power storage device for an electric vehicle according to claim 1.
前記請求項１から５何れか記載の蓄電装置と、
前記蓄電装置に接続され、前記１列の短絡用の機械的スイッチを開閉するための開閉信号と、昇圧電圧を決定する昇圧指令値と、力行昇圧と回生昇圧の移行を行なう動作モードと、を出力する指令値演算・シーケンス制御手段と、
前記指令値演算・シーケンス制御手段から入力された前記昇圧指令値及び前記動作モードに基づいて、１列以上の蓄電素子のうち通電する列を決定して、適切な通流率を算出して出力する通流率制御手段と、
前記通流率制御手段から入力された前記通流率に基づいて、前記蓄電装置の前記機械的スイッチ及び双方向スイッチを制御するゲート信号を出力するゲート制御手段と、
を備える、ことを特徴とする電気車両の蓄電装置システム。
An overhead pantograph for supplying power, a return wheel as a ground, a filter reactor connected to the pantograph, an inverter connected to the filter reactor, and a parallel connection between the filter reactor and the inverter A power storage device system connected to a circuit of an electric vehicle comprising a filter capacitor connected to
The power storage device according to any one of claims 1 to 5,
An open / close signal connected to the power storage device for opening and closing the one row short-circuit mechanical switch, a boost command value for determining a boost voltage, and an operation mode for switching between power running boost and regenerative boost. Command value calculation / sequence control means for outputting;
Based on the step-up command value input from the command value calculation / sequence control means and the operation mode, determine a row to be energized among one or more power storage elements and calculate and output an appropriate conduction rate. A flow rate control means for
Gate control means for outputting a gate signal for controlling the mechanical switch and bidirectional switch of the power storage device based on the conduction ratio inputted from the conduction ratio control means;
A power storage device system for an electric vehicle, comprising:
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